《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Comparative study of the rheology and stability of firefighting foams stabilized by different nanoparticle/polymer systems: Fire suppression performance of selected β-Al?O? formulations
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摘要纳米颗粒（NPs）和聚合物常被结合使用以改善消防泡沫的性能，但聚合物添加的效果是否取决于纳米颗粒类型仍不清楚。本研究将Al(OH)?和β-Al?O?纳米颗粒分别掺入FS-50/APG-0810表面活性剂体系中，并进一步与黄原胶（XG）或瓜尔胶（GG）结合。系统比较了所得泡沫的
摘要
纳米颗粒（NPs）和聚合物常被结合使用以改善消防泡沫的性能，但聚合物添加的效果是否取决于纳米颗粒类型仍不清楚。本研究将Al(OH)?和β-Al?O?纳米颗粒分别掺入FS-50/APG-0810表面活性剂体系中，并进一步与黄原胶（XG）或瓜尔胶（GG）结合。系统比较了所得泡沫的起泡能力、流变性和抗排水性，同时采用交叉应变和内聚模量（MOC）来表征变形耐受性和抗结构破坏能力。聚合物添加在两种纳米颗粒体系中产生了相反的效果：XG和GG总体上削弱了Al(OH)?纳米颗粒稳定泡沫的流变性能和抗排水性，但增强了β-Al?O?纳米颗粒稳定泡沫的这些性能。进一步评估了选定的β-Al?O?配方在灭火中的表现。在所测试的配方中，β-Al?O?/XG泡沫实现了最短的灭火时间22 s，而β-Al?O?/GG泡沫表现出最长的回燃时间1243 s。与以往关注单一纳米颗粒或纳米颗粒/聚合物体系的研究不同，本工作表明聚合物诱导的泡沫调控强烈依赖于纳米颗粒类型，且纳米颗粒/聚合物组合并不必然产生普遍的协同效应。这些发现为合理的纳米颗粒/聚合物匹配提供了基础，以在消防泡沫配方中平衡快速灭火和抗回燃性能。
引言
液体火灾通常具有燃烧剧烈、热辐射强、火焰蔓延迅速等特征，对人类生命和工业设施构成严重威胁[1], [2], [3], [4]。水成膜泡沫（AFFF）由于其优异的灭火性能，长期以来一直被视为抑制此类火灾最有效的灭火剂之一[5], [6]。然而，传统AFFF严重依赖长链氟碳表面活性剂，其环境持久性和生物累积性已引起严重的环境担忧，并导致对其使用日益严格的限制[6], [7], [8]。因此，开发新型环境友好型消防泡沫替代品具有重要意义。对于此类替代泡沫，灭火效果很大程度上取决于胶体与界面行为，特别是表面活性剂在界面的吸附和泡沫稳定性[9], [10]。短链氟碳表面活性剂比长链同类物具有更低的生物累积潜力，同时保留有用的表面活性[8]。当与碳氢表面活性剂组合使用时，组分间的协同作用可进一步改善表面和泡沫性能，为开发替代性消防泡沫配方提供了可行途径[11], [12]。
已有大量研究关注短链氟碳/碳氢表面活性剂体系，包括其表面与界面性质、起泡能力、泡沫稳定性、耐燃料性和灭火性能[11], [12], [13]。然而，短链配方的成膜和铺展能力降低，可能限制其在燃料表面的快速覆盖，从而相较于AFFF损害其灭火性能[8], [14]。因此，增强泡沫毯的稳定性和持久性是补偿这些性能缺陷的重要方法[15], [16]。为此，纳米颗粒（NPs）和水溶性聚合物已被广泛用作泡沫稳定剂。水溶性聚合物可增加连续相的粘度，从而延缓液体排液[17], [18]。NPs可在泡沫膜和Plateau边界内聚集并形成网络结构，延缓排液和气泡粗化[19], [20]。先前的研究进一步表明，将NPs与聚合物结合比单独使用任何一种稳定剂都能更有效地提高泡沫稳定性[21], [22]。例如，NPs已被用于调控短链氟碳/碳氢消防泡沫的稳定性、流变性和灭火性能[20]，而XG和GG已与NPs结合以改善泡沫流变性和稳定性[21]。Ou等人[22]进一步研究了碳纳米管和XG对碳氢表面活性剂泡沫的影响。这些研究表明了NPs和聚合物辅助泡沫稳定的潜力，但主要集中于单一NPs或特定NP/聚合物组合。当NP类型改变时，特定聚合物的效果是否保持一致，受到的关注较少。
这个问题对消防泡沫尤为重要，因为泡沫稳定性的增强并不一定转化为灭火性能的改善[23], [24]。消防泡沫必须在施用过程中保持足够的结构强度，同时维持适当的流动性[23], [24], [25], [26], [27]。因此，NP/聚合物相互作用的变化可能不仅改变排液和流变性，还可能改变快速灭火与回燃性能之间的平衡。本研究的核心科学问题是：聚合物添加是否会产生依赖于NP类型的泡沫流变性和稳定性变化，以及这些变化与灭火性能之间的定性关系如何。
本研究采用短链氟碳表面活性剂FS-50和碳氢表面活性剂APG-0810组成的混合表面活性剂体系作为基础配方。将Al(OH)?或β-Al?O? NPs分别掺入表面活性剂体系中，随后与XG或GG结合，构建不同的NP/聚合物泡沫体系。系统比较其基本性质、起泡能力、流变性能和泡沫稳定性，以评估聚合物在两种NP体系中的不同效果。除表观粘度和粘弹性模量外，采用交叉应变和内聚模量（MOC）表征泡沫变形耐受性和抗结构破坏能力。通过灭火试验进一步评估代表性的β-Al?O? NP/聚合物泡沫。本研究的创新之处在于直接证明聚合物添加的效果强烈依赖于NP类型，挑战了NP/聚合物组合必然产生协同稳定的假设。通过进一步将这些依赖于配方的流变性和稳定性差异与选定配方的消防性能联系起来，本研究为合理匹配NP/聚合物以平衡快速灭火和回燃性能提供了指导。
章节片段
材料
FS-50，一种含有C6全氟烷基部分、纯度为27%的两性短链氟碳表面活性剂，由美国杜邦公司提供。其余73%由去离子水和少量乙醇组成。APG-0810，一种烷基聚葡糖苷类的非离子碳氢表面活性剂，纯度50%，购自中国山东优索化工科技有限公司。其余50%由水和乙醇组成。XG和GG，纯度均为99.9%，由
泡沫分散体的性质
图3(A)展示了不同泡沫分散体的表面张力和电导率。NP-0#表现出最低的表面张力和最高的电导率。添加Al(OH)?或β-Al?O? NPs均增加了表面张力但降低了电导率。在两种NP体系中，随后添加XG或GG在不同程度上降低了表面张力和电导率。
图3(B)–3(E)显示了不同泡沫分散体的表观粘度和粘弹性模量随
结论
本研究表明，XG和GG对消防泡沫的影响强烈依赖于NP类型。聚合物添加总体上削弱了Al(OH)? NP稳定泡沫的流变性和抗排水性，而两种聚合物均增强了β-Al?O? NP稳定泡沫的流变响应、变形耐受性和抗排水性。这些对比行为表明，NP/聚合物组合并不必然产生普遍的协同效应，且相容性
CRediT作者贡献声明
Youjie Sheng: 写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、资源、方法学、调查、资金获取、正式分析、概念化。 Haoyu Li: 写作 – 初稿、验证、调查、正式分析、数据管理。 Hanling Zhang: 方法学、调查。 Yang Li: 方法学、调查。 Baohu Li: 方法学、调查。 Li Ma: 方法学、资金获取。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（项目编号：52374229）的资助。
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